1、第五章 微生物的代谢和发酵新陈代谢（Metabolism） 一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。 生物小分子合成生物大分子 合成代谢 （同化） 耗能新陈代谢 能量代谢 物质 代 谢 产能 分解代谢 （异化） 生物大分子分解为生物小分子 新陈代谢的共同特点：（1）在温和条件下进行(由酶催化)；（2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；（3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。第一节 化能异养微生物的能量代谢 有机物（化能异养菌）最初能源 日 光（光能自养菌） 通用能源 无机物（化能自养菌） 生物氧化的过程一般包括三个环节：
2、底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径 1、 EMP途径 2、HMP 3、ED 4、TCA一、化能异养微的生物氧化（一）底物脱氢的途径 一、底物脱氢的四条主要途径vEMP途径，又称糖酵解途径vHMP途径，又称己糖-磷酸途径vED途径，又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径vTCA循环，即三羧酸循环二、葡萄糖的 酵解作用 ( 又称：Embden -Meyerhof -Parnas途径， 简称：EMP途径)活化移位 氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷
3、酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶葡萄糖激活的方式好氧微生物：通过需要Mg+和ATP的己糖激酶厌氧微生物通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化EMP途径特点：葡萄糖分子经转化成1，6二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。 3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。生理 功能：见书127页HMP途径降解葡萄糖的三个阶段H
4、MP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径1. 葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO22. 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMP途径v葡萄糖 ATP ADP 6-磷酸葡萄糖 NAD(P)+ NAD(P)H+H+ 6-磷酸-葡萄糖酸 NAD(P)+ NAD(P)H+H+CO2 5-磷酸-核酮糖v5-磷酸-木酮糖 5-磷酸-核酮糖 5-磷酸-核糖 v5-磷酸-木酮糖+ 5-磷
5、酸-核糖 TK 7-磷酸-景天庚酮糖+3-磷酸-甘油醛 TA 6-磷酸-果糖+4-磷酸-赤藓糖 4-磷酸-赤藓糖+ 5-磷酸-木酮糖 TK 6-磷酸-果糖+3-磷酸-甘油醛注：TK为转羟乙醛酶 TA为转二羟丙酮基酶HMP途径的总反应6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+PiHMP途径的生理意义v为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸v产生大量的NADPH2，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量v四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成v在反应中存在3-7碳糖，使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛
6、v通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等ED途径 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 丙酮酸 （KDPG) 有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵 醛缩酶ED途径的总反应 ATP C6H12O6 ADP KDPGATP 2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸 6ATP 2乙醇 (有氧时经过呼吸链) （无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的特点ED途径的特征反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡
7、萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛ED途径的特征酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛缩酶ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP此途径主要存在与Pseudomonas,好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵见书129页WD途径WD途径又称磷酸解酮酶途径，它们催化的反应分别为： 5-磷酸木酮糖（果糖-6-磷酸） 磷酸戊糖解酮酶（磷酸己糖解酮酶） 乙酰磷酸 磷酸甘油醛（4-磷酸赤藓糖） 乙醇 丙酮酸 与HMP途径相连 乳酸许多微生物（如双
8、歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式（四）磷酸酮解途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（PK）途径 磷酸己糖酮解途径（HK）途径 葡萄糖 6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖3 -P-甘油醛 丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA 乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖解酮酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖酮解途径磷酸戊糖酮解途径的特点:分解1分
9、子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2磷酸己糖解酮途径 2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶磷酸己糖酮解途径的特点：有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛， 3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；许多微生物（如双
10、歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。TCA循环在微生物代谢中的枢纽地位 糖类 乙醇 乳酸 葡萄糖 丙酮 甘油 EMP 丁醇脂肪 丙酮酸 丁二醇 B-氧化 脂肪酸 乙酰-CoA 氨基酸 蛋白质 ATP，各种 有机 酸 ，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸二、递氢、受氢和ATP的产生根据葡萄糖脱氢后，递氢过程，尤其是受氢体的不同，生物氧化可分为下列三种类型：v （有氧）呼吸v 无氧呼吸v 发酵 电子传递与氧化呼吸链电子传递1、部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体内膜上，在原核细胞发生在质膜上。2、成员 ：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素b 、c 1 c
11、a a和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：EMP,TCA循环特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。2、呼吸作用 由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。（一）有氧呼吸2. 呼吸作用（二）无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受
12、体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。无氧呼吸（anaerobic respiration）v概念：一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。v无氧呼吸的类型 硝酸盐呼吸：NO3- NO2-, NO, N2 无机盐呼吸 硫酸盐呼吸：SO42- SO32-,S3O6
13、2-,S2O32-,H2S 硫 呼 吸： S0 S-2 碳酸盐呼吸 CO2,HCO3- CH3COOH CO2, HCO3- CH4 延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸发酵v概念：在生物氧化中，发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。v常见的发酵种类： 由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵 乙醇发酵，同型乳酸发酵，丙酸发酵， 2,3-丁二醇发酵， 混合酸发酵，丁酸型发酵 通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵通过ED途径进行的发酵细菌的酒精发酵（异型酒精发
14、酵） C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：概念菌种途径特点发生条件该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。概念：有氧条件下，酵作用受抑制的象（或氧 酵的抑制象）。意：合理利用能源机理：通风对酵母代谢的影响通（有氧呼吸）缺氧（酵）酒精生成量耗糖量/位胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效应(The Pasteur effect )现象：酒精（乙醇）发酵v酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵 脱羧酶 脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇v细菌(Zymomonas mobili
15、s运动发酵单包菌)的乙醇发酵 通过ED途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATPv细菌(Leuconostoc mesenteroides肠膜明串珠菌)的乙醇发酵 通过WD途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵:EMP与ED途径异型乳酸发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵:HMP途径（二）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和
16、双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）产物中只有乳酸的发酵异型乳酸发酵：（经HMP途径）产物中除乳酸外还有其 他产物的发酵双歧杆菌发酵: （经HK途径磷酸己糖解酮酶途径） 葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2( 1,3-二-磷酸甘油酸） 2乳酸 2丙酮酸同型乳酸发酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADP乳酸乳球菌乳酸亚菌嗜热链球菌概念菌种途径特点异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇 乙醛 乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念菌种途径特点-CO2肠膜明串珠菌短乳杆菌
